民勤沙区胡杨林健康序列及其影响因子分析

马剑平，常兆丰，张元恺，马俊梅，王 飞

(甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)

胡杨(Populuseuphratica)，杨柳科杨属乔木，分布于中国以及中亚地区、高加索地区、蒙古、埃及、叙利亚、印度、伊朗、阿富汗、巴基斯坦等地。我国主要分布于新疆、内蒙古西部、甘肃河西走廊、青海格尔木等地荒漠区。由于自然和人为的因素，从20世纪50、60年代以来，我国塔里木河中下游[1-2]、额济纳旗[3-4]、磴口[5]、河西走廊[6-8]和格尔木[9]的胡杨林面积逐渐减小，如20世纪50年代塔里木河中下游胡杨林面积38.67×104hm2，到90年代的40 a间塔里木河流域胡杨林面积减少了75%，1990-2015年胡杨林面积减少了2 260.45 km2[10]。有研究报告指出，近50 a来我国1/2以上面积的天然胡杨林消失[11]。

胡杨不仅是干旱荒漠区的主要建群种和优势种，对维持干旱地区生态环境稳定具有重要意义[11-12]，被誉为抗风阻沙的“英雄树”，而且胡杨还是沙漠中重要的观赏树种，属于国家二类二级保护植物。面对天然胡杨林的衰减，近些年来西北各适生地实施了胡杨林生态修复工作，建立了一批胡杨林保护区，并大面积栽植人工胡杨林，因而，西北各地现有的胡杨林，既有天然林，也有人工林。河西走廊的金塔县、高台县、阿克赛和民勤县胡杨林面积相对较大，其他各县均有零星分布，据笔者初步调查统计，总面积在1.2×104hm2，其中民勤境内约有1 000 hm2。

伊朗、中亚地区有关于胡杨林的研究报道[13-15]，但研究最多的还在中国，中国的研究主要集中在塔里木河两岸[16-18]。有关胡杨林的退化的原因，大致有以下3个方面的研究报道：1)水资源退化。塔里木河流域的研究表明。在民勤境内，由于水资源减少，加之毁林开荒，胡杨林面积逐年减小[19]。随胡杨林退化程度的加剧，林地土壤含水量、最大田间持水量、毛管持水量显著降低[20-21]。2)耕地扩张。塔里木河下游水土资源开发将大片天然植被开垦为耕地，打破了生态系统原有平衡。同时，由于耕地扩张，水资源用于耕地，导致河道两侧地下水位下降，距离河道280～640 m的胡杨林逐渐衰败，距离河道1 760～1 800 m的胡杨逐渐枯死[22]。3)旅游干扰，额济纳旗胡杨林的调查研究结果表明，强度旅游干扰使得胡杨林下植被和根蘖苗更新受阻，受基础设施建设等旅游项目的影响，生境破碎化和异质性增加，改变了绿洲胡杨林的植被动态过程[23]。另外，还有20世纪60、70年代格尔木等地有砍伐胡杨林和放牧破坏情况的报道[24]。

当然，还有研究认为，胡杨死亡的原因并不是由于地下水位下降，而是由于风蚀破坏了胡杨林地表环境，一方面由于地表风蚀，幼苗更新能力差，胡杨林老化；另一方面风蚀使得根群出露地表，胡杨生长所需的营养得不到满足[4]。那么，胡杨林退化的真正原因究竟是什么，胡杨林的健康状况主要与哪些因素有关，这一问题的研究解决，不仅对于保护现存的胡杨林具有重要意义，而且对于西北地区培育人工胡杨林具有重要参考价值。民勤沙区既是胡杨林天然分布区之一，也是目前胡杨林退化区之一。为此，本研究以民勤沙区为例作一探索性分析，以资讨论。

1 研究区与观测研究方法

1.1 研究区概况

民勤县位于河西走廊东北部，地处石羊河下游腾格里沙漠西部边缘，北和西北侧与巴丹吉林沙漠接壤，地理位置101°49′-103°12′E，38°05′-39°28′N，总土地面积为16 016 km2。民勤县的生态环境退化过程大致可分为3个历史景观，即汉代以前为自然生态景观，西汉(前206-公元25)至民国年间为退化生态景观，1950年以来为人工生态景观。民勤县多年平均降水量116.52 mm，蒸发量2 351.79 mm，年平均风速2.8 m·s-1，主风向NW，年平均≥17 m·s-1大风28.2 d，沙尘暴25.8 d，扬沙天气37.8 d，浮尘天气30.2 d，民勤县统计部门提供的资料，目前境内沙漠、戈壁、盐碱滩地和低山残丘占总土地面积的94.2%，其中沙漠面积占总面积的55.03%。

民勤是胡杨林的天然分布区之一，历史上曾有大面积的胡杨林分布。后来，由于自然和人为的原因，民勤境内的胡杨林面积逐渐减小。目前，民勤的胡杨林仅存于农田边缘、古河床、渠道和道路两边，且为大小不等的斑块状分布(图1)。

图1 民勤胡杨林调查样点

1.2 观测与分析方法

陆凡和李自珍[25]将系统活力、组织结构和系统恢复力3个指标作为干旱区生态系统健康的一级指标。而系统活力指标包括系统的状态指标和病态指标等，系统的组织结构在植物群落中具体指植物的多样性指标，系统恢复力指标是指系统的更新能力，在植物群落中是指植物的多样性指标[26]。由于当地的胡杨群落的优势种只有胡杨1个种，结构简单，因而本研究的植物群落健康评价指标(表1)在其他植物群落健康评价指标[26]的基础上做了适当简化。胡杨龄级按过熟株、成熟株、中龄株、幼龄株和更新苗分为5个龄级，依次用5、4、3、2、1表示；枯梢龄级数即前述5个龄级中有几个龄级枯梢分别用0、1、2、3、4表示，即有几个龄级枯梢就记作几，更新苗无枯梢；更新能力指标按样地中更新苗的多、少和无分别记作2、1、0；伴生植物按乔木、灌木和草本3种生活型，生活型数分别用3、2、1表示。植株高度、郁闭度和盖度以及植物多样性指标按常规方法测量。在各样点林地内均匀处设置植物调查样方，乔木调查样方50 m×50 m，用5点法在样方4个角和中心划定5个2 m×2 m的小样方，在小样方内调查灌木、草本以及胡杨更新苗等。共调查胡杨林样地50个，只对其中的19个样地取样测定了土壤水分、土壤养分和土壤粒度。土壤取样深度0～100 cm，每20 cm一层，土壤水分和土壤养分用常规方法测得，土壤粒度用马尔文极光粒度仪(Malvern Mastersizer 2000)测定。

将健康序列分为5级，分别用S1、S2、S3、S4和S5表示，健康顺序用S1>S2>S3>S4>S5，即S1相对最健康。先将表1中8个指标按50个样本的数值大小等分为5个区间，先用以下式(1)计算隶属度，用式(2)计算加权隶属度，再用式(3)进行归一化处理，按其最大值进行一级判别分类。在一级判别分类的基础上，再用式(4)进行二级模糊判别归类。

表1 民勤胡杨林健康评价指标体系

(1)

式中，Rij为x的健康隶属度，其中i为健康序列(i=1,2,…m)，j为植物健康指标(j=1,2,…n)；aij和bij分别为第i健康序列第j指标的判别区间上限和判别区间下限，k为系数，设k=0.5[26]。

(2)

(3)

在获得一级判别结果的基础上，用以下(4)式进行二级模糊综合判别，确定健康序列。

(4)

2 结果与分析

2.1 胡杨林的健康序列

首先用式(1)、式(2)、式(3)进行一级判别归类，将50个调查样地的优势种胡杨和伴生植物分别归并为5个序列。在一级判别的基础上，分别给胡杨和伴生植物以0.7和0.3的权重，用(4)式进行二级模糊判别分类，结果见表2。由表2可以看出，序列3的样本数最多(26个样本)，序列2样本数次多(9个样本)，序列5样本数最少(2个样本)，二级判别结果在优势种胡杨一级判别结果的基础上略有变动。

表2 民勤沙漠地区胡杨林健康序列

进一步按二级判别分类统计胡杨各健康指标的平均值(表3)。由表3可以看出：1)健康序列1的胡杨无枯枝枯梢且更新苗相对最多，伴生植物的植被盖度最大；健康序列2的胡杨植株最高且龄级数最全，更新苗次多，伴生植物的生活型数最多；健康序列3的各指标均相对居中；健康序列5的胡杨过熟株、成熟株、中龄株和幼龄株均有枯枝枯梢，样地上无更新苗，且伴生植物的盖度最低，生活型数和植物种数均最少。2)健康序列1的样地位于农田边缘或水渠两边，可以利用到农田灌溉和水渠侧渗水；健康序列2的样地位于农田外围或弃耕地，土壤水分和养分亦相对较好；健康序列5样地位于古河床或水渠边缘丘间地，距离水源相对较远。

表3 二级分类的指标特征值(平均值)

2.2 胡杨林健康状况与土壤因子的关系

调查样地分布在长条形的民勤绿洲(图1)，从西南到东北长约120 km，地势平坦，气温、降水、风速等气候差异不大[26]。因此，本研究就胡杨林健康状况分析其与土壤水分、土壤养分和土壤pH值以及土壤粒度等几个方面的关系。

胡杨林5个健康序列0～100 cm土壤因子特征见表4。由于本研究只对50个林地样方中的19个样地取了土样，健康序列4中无土壤取样样方，但由这19个样地多个层次有土壤资料足以揭示胡杨林健康状况与土壤因子关系。

表4 胡杨林5个健康序列0～100 cm土壤因子特征

2.2.1 与土壤水分的关系 前述已知，只对50个胡杨调查样地中的19个样地取样测定了土壤水分、土壤养分和土壤粒度。二级判别分类结果为，健康序列1、2、3、5中分别包含有6、4、8、1个土壤取样样地，健康序列4中无土壤取样样地。由以上土壤样品测定计算得健康序列1、2、3、5的0～100 cm深平均土壤含水率分别为6.085%、4.175%、4.717%和1.257%，健康序列1最高，健康序列3次高，健康序列5最低。表层0～20 cm层平均土壤含水率分别为3.146%、3.992%、2.817%和0.342%，健康序列2最高，健康序列1次高，健康序列5最低。

胡杨林各种健康指标与土壤水分的相关分析结果表明，胡杨林的郁闭度与0～100 cm深平均土壤含水率呈极显著正相关(P<0.01)，与40～80 cm层土壤含水率呈显著正相关(P<0.05)。伴生植物的盖度与0～20 cm层土壤含水率呈极显著正相关(P<0.01)，与20～40 cm层及0～100 cm深平均土壤含水率呈显著正相关(P<0.05)(表5)。

表5 胡杨林健康指标与土壤水分的关系

2.2.2 与土壤养分的关系 测定结果表明，各类样地的土壤pH值均>8，即均属于弱碱性土壤。0～100 cm深的土壤pH值健康序列5最高(8.578)，健康序列2次高(8.168)，健康序列3最低(8.027)，且0～20 cm屋的分布规律与 0～100 cm的相一致。0～100 cm土壤有机质含量健康序列1最高，健康序列2次高，健康序列5最低，且0～20 cm层与0～100 cm层分布规律相一致。0～100 cm土壤全N健康序列2最高，健康序列1次高，健康序列5最低，0～20 cm层与0～100 cm层分布规律亦相一致。0～100 cm土壤速效P健康序列1最高，健康序列3次高，健康序列5最低。

胡杨林各种健康指标与土壤pH和土壤养分的相关分析结果表明，胡杨更新苗的数量与0～20 cm以及20～60 cm层的土壤速效P显著正相关(P<0.05)。伴生植物的植被盖度与60～100 cm的土壤pH值显著负相关(P<0.05)(表6)。

表6 胡杨林健康指标与土壤养分的关系

2.2.3 与土壤粒度的关系 先将样品测定结果按粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、细砂(0.05～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)和极粗砂(1～2 mm)6个粒度级进行统计，然后再分析胡杨林健康指标与各级土壤粒度的关系。分析结果表明，胡杨林的枯枝枯梢程度与0～60 cm层的中砂以及0～100 cm深的粗砂含量呈极显著正相关(P<0.01)，与60～100 cm层的中沙含量呈显著正相关(P<0.05)，且与20～60 cm层的细砂含量为显著负相关(P<0.05)。胡杨更新苗的多寡与0～20 cm层土壤细砂含量为显著正相关(P<0.05)，与0～20 cm层的粗沙含量及极粗含量呈显著负相关(P<0.05)。伴生植物的植被盖度与0～20 cm层的粉粒含量极显著正相关(P<0.01)，与0～20 cm层的粘粒及20～100 cm层的粉粒含量显著正相关(P<0.05)，与0～20 cm层的中砂及粗砂呈极显著负相关(P<0.01)，与20～100 cm层粗砂为显著负相关(P<0.05)(表7)。

表7 胡杨林健康指标与土壤粒度的关系

3 结论与讨论

无枯梢且更新苗多的胡杨林健康状况较好。健康序列1的胡杨林无枯枝枯梢且更新苗相对最多；健康序列2的胡杨植株最高且龄级数最全，更新苗次多；健康序列5的胡杨过熟株、成熟株、中龄株和幼龄株均有枯枝枯梢，且样地上无更新苗。自然更新能力是标志胡杨林健康状况的一个重要指标。研究结果表明，0～60 cm的土壤速效P和0～20 cm的土壤细砂含量较多的土壤胡杨更新苗相对较多，此可作为选定胡杨造林地的重要依据之一。

土壤干旱缺水是导致民勤胡杨林退化的主要原因。在民勤沙区，土壤干旱缺水是影响胡杨林健康状况的主要原因，其次是土壤粒度和pH值，越是靠近农田水分条件好的地块胡杨林的健康状况相对越好，土壤pH值在8.0左右的微碱性细沙地上的胡杨林相对较健康，土壤pH值>8.5胡杨林健康状况最差。鉴于此，一方面，对现有退化胡杨林应适当补充人工灌溉，使土壤含水率保持在5%以上；另一方面，营造人工胡杨林要选择靠近农田边缘水分条件较好的地块。

靠近农田边缘的胡杨林健康状况相对较好。民勤的胡杨林正处在退化过程中[19]。对此，不便断然确定哪个是健康的或不健康的，但健康或不健康还存在一个程度问题，因此我们总可以就其健康状况做出某种排序。从本研究健康序列分类情况看，生长的农田边缘水分条件较好的胡杨林健康状况相对较好，如健康序列1基本都在边缘，距离农田越远则健康序列相对越居后，如健康序列5，样地分布在距离农田较远的古河床或沙丘间地(表3)，在现场调查时我们已注意到了这一现象，分析结果也证明胡杨林的郁闭度与土壤含水率显著正相关(表5)。

胡杨林优势种的优势度较强。根据优势种胡杨和伴生植物在群落中的功能地位，在二级模糊判别归类时分别给胡杨和伴生植物以0.7和0.3的权重。灵敏度分析结果表明，当优势种胡杨的权重从0.6向1.0增大时，样本的归类略显偏向上一序列的趋势，但并不改变样本的健康顺序，表明其优势种的优势度相对较强。不仅如此，为了揭示类群之间的差异，本研究进一步以10个序列进行了判别归类，其结果是有的序列中无样地，有的序列中只有1个样地，而更多的样本仍然聚集在中间(健康序列5、6)和两端(健康序列1和10)，但与5个序列相比，样本的健康序列并没有发生改变。

有无更新苗是评价胡杨林健康状况的重要指标之一。林地的自然更新能力是保证林分生态系统持续稳定的不可缺少的重要因素[27]。在调查样地中，有的样地(如样地2、3)虽然无枯枝现象，胡杨生长相对较好，但也无更新苗，显然，这样的林分是不持续的，有更新苗、幼龄林、中龄林、成熟林、过熟林才是一个林龄级完善的生态系统，因此本研究将更新能力作为评价胡杨林健康状况的重要指标之一。

当地下水位过深胡杨无法利用。以上健康序列1、2、3、4样地分别有7、6、12和2个井位的地下水位观测值，2018年4个健康序列各井位平均地下水位分别为18.66 m、20.84 m、22.76 m和22.54 m(健康序列5样区无地下水观测点位)，地下水位与胡杨林健康指标相关不显著(P>0.05)，这样深的地下水胡杨林肯定是无法利用的，分析结果也证实了这一点。

土壤水分是影响当地胡杨林健康的首要因素。综合5个健康序列胡杨林地土壤因子(表4)可以看出，在民勤沙区，土壤水分是影响胡杨林健康的首要因素，序列1的土壤含水率明显高于其他序列；其次是土壤pH值，土壤pH值在8.0左右时胡杨林健康状况较好，序列5的土壤pH值>8.5健康状况最差；再就是土壤养分，随着土壤有机质和全N、速效P含量减少，胡杨林的健康序列推后；健康序列靠前的土壤细砂、粉粒和粘粒含量较高，尤其是细砂，随着健康序列推后，土壤中的中砂、粗砂递增。另有关于民勤胡杨林地土壤特征的研究认为，靠近耕地边的胡杨林地土壤有机质和全N速效P显著高于其他地块[19]。民勤沙区胡杨林根区土壤理化性质研究还表明，土壤有机质和全N、速效P含量成熟林>中龄林>幼龄大，胡杨林龄的增大改善了土壤理化性质[28-30]。前述已知，本研究只对50个林地样方中的19个样地取了土样，这也是本研究不足之处之一。

新建人工胡杨林应选择靠近农田边缘水分条件较好的地块。民勤沙区现在的胡杨林均为小块状零散分布，普遍生长退化。面对胡杨林面积逐渐减小的趋势，近几年，民勤以及河西走廊其他沙区开始营造工人胡杨林。根据本研究结果，一方面，对现有退化胡杨林要适当补充人工灌溉，使土壤含水率保持在5%以上；另一方面，新建人工胡杨林应选择靠近农田边缘水分条件较好的地块，选择土壤pH值在8.0左右的微碱性[31]细沙地较为适宜。研究结果还表明，更新苗量与0～60 cm的土壤速效P(表6)和0～20 cm的土壤细砂含量(表7)显著正相关(P<0.5)，这也可以作为选定胡杨人工造林地的依据之一。